高二化学苏教版选修4课件：1.2.1 原电池的工作原理 化学电源
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2.在原电池中,阳离子向正极移动,阴离子向负极移动。虽然含氧酸根离子迁移 的速率很慢,但仍有向负极移动的趋势。
3.发生原电池反应时,通常负极金属失电子而导致负极质量减轻。
问题导学 即时检测 一 二
自主预习 合作探究
二、电极反应式的书写与原电池反应的计算
活动与探究 1.如何书写电极反应式? 答案:(1)如果题目提供的是装置图,则首先确定原电池的正负极、电解质溶液。 通常情况下,负极为电极材料失电子,正极为溶液中的阳离子得到电子。写电极反 应式时,还需考虑电解质的性质。 (2)如果题目给出的是总反应式,首先找出化合价升高与降低的元素,从而确定 正、负极的主反应物和主产物,再利用守恒原理进行电极反应式的书写。 2.如何进行原电池反应中的计算? 答案:原电池负极上发生氧化反应失去的电子总数与正极上发生还原反应得到 的电子总数相等,在有关电化学的计算中抓住得失电子总数相等建立等量关系式。
问题导学 即时检测 一 二
自主预习 合作探究
(4)根据原电池两极发生的变化来判断:原电池的负极总是失电子,发生氧化反 应(负失氧);其正极总是得电子,发生还原反应(正得还)。(见下图)
(5)根据原电池两极发生的现象判断。溶解或质量减小的电极为负极,电极增重 (有金属析出)或有气泡放出的一极为正极(此规则具有相当的局限性,可用于一些 常规的原电池的电极判定,如Al-Cu-稀硫酸,但不适用于目前许多新型燃料电池的 电极的判定)。
2H2O。燃料电池的能量转换效率远高于普通燃料燃烧的能量转换 效率。
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预习交流1 原电池工作时,电流是怎样形成的? 提示:原电池是通过自发进行的氧化还原反应,使反应中的电子定向移动而产生 电流。反应中的氧化反应和还原反应分别在两个电极上发生,从而形成电势差,电 子及电解质溶液中的带电粒子得以定向流动从而产生电流。 预习交流2 电子的流动方向是怎样的?电解质溶液中的离子是怎样迁移的? 提示:电子从负极流出,通过导线进入正极。电解质溶液中的阴离子向负极移动, 阳离子向正极移动。
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2.化学电源 (1)根据原电池的反应原理,人们设计和生产了多种化学电源,包括 一次电池、可充电电池和燃料电池等。可充电电池也称为二次电池。 可充电电池放电时是一个原电池,充电时是一个电解池。锂电池是一种 高能电池。 (2)在化学电源中,一次电池最常见,使用最广泛的一次电池是干电 池,如普通锌锰干电池、碱性锌锰电池等。碱性锌锰电池比普通锌锰干 电池性能优越,它的比能量大,能提供较大电流并连续放电。碱性锌锰电 池的负极是 Zn,正极是 MnO2,电解质是 KOH,其电极反应为:负 极:Zn+2OH--2e- Zn(OH)2,正极:2MnO2+2H2O+2e2MnOOH+2OH-,总反应:Zn+2MnO2+2H2O 2MnOOH+Zn(OH)2。
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第二单元 化学能与电能的转化
自主预习 合作探究
第一课时 原电池的工作原理 化学电源
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1.通过实验探究化学反应中的能量转化。 2.了解原电池的构造特点和工作原理,会判断、设计简单的原电 池,能够正确书写电极反应式和电池反应方程式。 3.了解盐桥的作用。 4.知道常见化学电源的种类,银锌纽扣电池、铅蓄电池、燃料电 池的工作原理及其应用价值。
问题导学 即时检测
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质是碱,其正极反应为 O2+2H2O+4e-
为
。
4OH-,则其负极反应
点拨:可利用减法进行电极反应式的书写。
问题导学 即时检测 一 二
自主预习 合作探究
解析:在酸性溶液中,正极反应式等于总反应式减去负极反应式,也
可进行电极反应式的直接书写。正极的主反应物为 O2,得电子后生成 O2-,由于 O2-在酸性溶液中会与 H+发生反应,所以正极反应式为
B.在使用过程中,电子由Ag2O极经外电路流向Zn极 C.Zn是正极,Ag2O是负极 D.Zn电极发生还原反应,Ag2O电极发生氧化反应 解析:从电极反应式可以看出,Zn电极失电子,作负极,是电子流出的电极,发生氧
化反应;Ag2O电极得电子,作正极,是电子流入的电极,发生还原反应。 答案:A
问题导学 即时检测 一 二
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自主预习
(3)原电池的工作原理(以铜锌原电池为例进行研究):
合作探究
Zn 为负极,Cu 为正极;负极上发生氧化反应,电极反应式为 Zn-2e-
Zn2+,正极上发生还原反应,电极反应式为 Cu2++2e- Cu;电子流 出的极是负极,电子流入的极是正极;电流方向是从正极流向负极。盐桥 中通常装有含 KCl 饱和溶液的琼脂,盐桥中的 Cl-会移向 ZnSO4 溶液,K+ 移向 CuSO4 溶液,使 ZnSO4 溶液和 CuSO4 溶液均保持电中性。该原电 池工作一段时间后,负极质量减小,正极质量增加。
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(3)铅蓄电池是最常见的二次电池。它由两组平行排列的栅状铅合 金极板作为主架,正极板上覆盖有 PbO2,负极板上覆盖有 Pb,电解质是
H2SO4。放电时电极反应为:负极:Pb+SO42--2e- PbSO4,正 极:PbO2+4H++SO42-+2e- PbSO4+2H2O,放电时总反应 式:Pb+PbO2+4H++2SO42- 2PbSO4+2H2O。铅蓄电池充电时电极反应 为:阴极:PbSO4+2e- Pb+SO42-(还原反应),阳极:PbSO4+2H2O-2ePbO2+4H++SO42-(氧化反应),充电时总反应式:2PbSO4+2H2O Pb+PbO2+4H++SO42-。可见充电过程和放电过程互为逆过程,可用一个化
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2.将纯锌片和纯铜片按图示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间,以下叙述正确 的是( ) A.两烧杯中铜片表面均无气泡产生 B.甲中铜片是正极,乙中铜片是负极 C.两烧杯中硫酸均有消耗 D.产生气泡的速率甲比乙慢 解析:因乙烧杯中锌片和铜片没有接触,故不能构成原电池,而甲烧杯中Zn、Cu用 导线连接后构成原电池,加快了Zn的溶解,且铜为正极,其表面有气泡产生,故A、B、 D项均错;又因两烧杯中的Zn都能与稀硫酸反应产生H2而消耗H+,故C项正确。 答案:C
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1.下列装置中能构成原电池产生电流的是( )
自主预习 合作探究
解析:A、C两项中两电极均相同,不能构成原电池;B项符合原电池的构成条件,两
电极发生的反应分别是Zn-2e解质,故不能构成原电池。
Zn2+,2H++2e-
H2↑;D项中酒精不是电
答案:B
问题导学 即时检测
学方程式表示为:Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O。随着放电反应的 进行,硫酸的浓度不断下降,密度不断减小,人们常常根据硫酸密度的大 小来判断铅蓄电池是否需要充电。
目标导航 预习氢氧燃料电池正极通入氧气,负极通入氢气。其电极反应为负 极:2H2+4OH--4e- 4H2O,正极:O2+2H2O+4e- 4OH-,总反应:2H2+O2
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自主预习 合作探究
预习交流3 盐桥的作用是什么? 提示:保持溶液的电中性,从而保证电流的稳定。 预习交流4 选择盐桥电解质的原则是什么? 提示:(1)高浓度;(2)阴、阳离子迁移速率接近相等;(3)不与电池中溶液发生化学 反应。
问题导学 即时检测 一 二
自主预习 合作探究
一、原电池的构成
活动与探究 1.原电池的形成条件是什么? 答案:(1)两个活动性不同的电极;(2)两电极用导线连接;(3)两电极均与电解质溶 液相接触并形成闭合回路;(4)存在自发进行的氧化还原反应。
问题导学 即时检测 一 二
自主预习 合作探究
2.如何判断原电池的正、负极? 答案:(1)由组成原电池的两电极材料判断。一般是活动性较强的金属为负极, 活动性较弱的金属或能导电的非金属为正极。 (2)根据电流方向或电子流动方向判断。电流是由正极经导线流向负极,电子流 动方向是由负极经导线流向正极。 (3)根据原电池里电解质溶液内离子的定向移动方向判断。在原电池的电解质 溶液内,阳离子移向的极是正极,阴离子移向的极是负极。
问题导学 即时检测 一 二
自主预习 合作探究
温馨提示:“两个电极用导线连接”这句话应灵活理解,导线连接的目的是便于电 子的流动,如果两个电极直接接触,虽然中间没有导线,也能达到电子定向移动的目 的,所以也相当于用导线连接。
问题导学 即时检测 一 二
迁移训练1
自主预习 合作探究
瑞典ASES公司设计的曾用于驱动潜艇的液氨-液氧燃料电池示意图如图所示,
正极。电池工作时,电子从电极 1 经外电路流向电极 2,OH-向负极移动。
负极反应为:4NH3-12e-+12OH- 2N2+12H2O,正极反应
为:3O2+12e-+6H2O 答案:A
12OH-。
问题导学 即时检测 一 二
自主预习 合作探究
1.活动性强的金属不一定作负极,判断原电池的正、负极,关键是看哪个电极的 金属能与电解质溶液发生氧化还原反应。若两电极材料都能与电解质溶液发生 氧化还原反应,则相对活泼的电极为负极;若只有一个电极材料能与电解质发生氧 化还原反应,则该电极作负极。
自主预习 合作探究
迁移训练 2 微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用。有一种银锌 电池,其电极材料分别是 Ag2O 和 Zn,电解质溶液为 KOH 溶液,电极反应 为 Zn+2OH--2e- ZnO+H2O;Ag2O+H2O+2e- 2Ag+2OH-。
根据上述反应式,判断下列叙述中正确的是( )
A.在使用过程中,电池负极区溶液的pH减小
问题导学 即时检测 一 二
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迁移与应用 例1下列各图表示的装置,能构成原电池的是( )
点拨:原电池的形成需要满足4个要素:两个活动性不同的电极,用导线连接,且与 电解质溶液接触并形成闭合回路,存在自发进行的氧化还原反应,四个要素缺一不 可,这也是检验原电池是否能形成的方法。
解析:A中两电极相同;B中无电解质溶液;C未形成闭合电路。 答案:D
有关说法正确的是( )
A.电池总反应为:4NH3+3O2 2N2+6H2O B.电池工作时,OH-向正极移动
C.电极 2 发生的电极反应为:O2+4H++4eD.电流由电极 1 经外电路流向电极 2
2H2O
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解析:燃料电池中通入 O2 的一极为正极,则电极 1 为负极,电极 2 为
O2+4e-+4H+ 2H2O。同理,在碱性溶液中,负极反应式为 2H2-4e-+4OH-
4H2O。
答案:O2+4e-+4H+ 2H2O 2H2-4e-+4OH- 4H2O
误区警示:在书写电极反应式时,我们易错误地写成 O2+4e忽视了 O2-在水溶液中不能稳定存在。
2O2-,
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5.能根据已知的电池反应式,判断电池的正、负极,书写电极反应 式。
1.掌握原电池的构造特点及工作原理。 2.能根据常见的氧化还原反应设计原电池,书写电极反应式和电 池反应方程式。
3.能根据电池反应式,判断电池的正、负极并书写电极反应式。
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自主预习 合作探究
1.原电池的工作原理 (1)化学能与电能的相互转化,是能量转化的重要形式之一。原电池是将化学能 转化为电能的装置。 (2)原电池由两个半电池组成。半电池包括电极材料和电解质溶液,两个隔离的 半电池通过盐桥连接起来。半电池中的反应就是半反应,即电极反应。在原电池 中,负极上发生氧化反应,给出电子;正极上发生还原反应,得到电子。电流由原电 池的正极流向负极,即电子由负极流向正极。
问题导学 即时检测 一 二
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迁移与应用
例 2 航天技术上使用的氢氧燃料电池具有高能、轻便和不污染环
境等优点。氢氧燃料电池有酸式和碱式两种,它们放电时的电池总反应
的化学方程式均可表示为 2H2+O2 2H2O。酸式氢氧燃料电池中的电
解质是酸,其负极反应为 2H2-4e为
4H+,则其正极反应 ;碱式氢氧燃料电池中的电解
3.发生原电池反应时,通常负极金属失电子而导致负极质量减轻。
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二、电极反应式的书写与原电池反应的计算
活动与探究 1.如何书写电极反应式? 答案:(1)如果题目提供的是装置图,则首先确定原电池的正负极、电解质溶液。 通常情况下,负极为电极材料失电子,正极为溶液中的阳离子得到电子。写电极反 应式时,还需考虑电解质的性质。 (2)如果题目给出的是总反应式,首先找出化合价升高与降低的元素,从而确定 正、负极的主反应物和主产物,再利用守恒原理进行电极反应式的书写。 2.如何进行原电池反应中的计算? 答案:原电池负极上发生氧化反应失去的电子总数与正极上发生还原反应得到 的电子总数相等,在有关电化学的计算中抓住得失电子总数相等建立等量关系式。
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(4)根据原电池两极发生的变化来判断:原电池的负极总是失电子,发生氧化反 应(负失氧);其正极总是得电子,发生还原反应(正得还)。(见下图)
(5)根据原电池两极发生的现象判断。溶解或质量减小的电极为负极,电极增重 (有金属析出)或有气泡放出的一极为正极(此规则具有相当的局限性,可用于一些 常规的原电池的电极判定,如Al-Cu-稀硫酸,但不适用于目前许多新型燃料电池的 电极的判定)。
2H2O。燃料电池的能量转换效率远高于普通燃料燃烧的能量转换 效率。
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预习交流1 原电池工作时,电流是怎样形成的? 提示:原电池是通过自发进行的氧化还原反应,使反应中的电子定向移动而产生 电流。反应中的氧化反应和还原反应分别在两个电极上发生,从而形成电势差,电 子及电解质溶液中的带电粒子得以定向流动从而产生电流。 预习交流2 电子的流动方向是怎样的?电解质溶液中的离子是怎样迁移的? 提示:电子从负极流出,通过导线进入正极。电解质溶液中的阴离子向负极移动, 阳离子向正极移动。
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2.化学电源 (1)根据原电池的反应原理,人们设计和生产了多种化学电源,包括 一次电池、可充电电池和燃料电池等。可充电电池也称为二次电池。 可充电电池放电时是一个原电池,充电时是一个电解池。锂电池是一种 高能电池。 (2)在化学电源中,一次电池最常见,使用最广泛的一次电池是干电 池,如普通锌锰干电池、碱性锌锰电池等。碱性锌锰电池比普通锌锰干 电池性能优越,它的比能量大,能提供较大电流并连续放电。碱性锌锰电 池的负极是 Zn,正极是 MnO2,电解质是 KOH,其电极反应为:负 极:Zn+2OH--2e- Zn(OH)2,正极:2MnO2+2H2O+2e2MnOOH+2OH-,总反应:Zn+2MnO2+2H2O 2MnOOH+Zn(OH)2。
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第二单元 化学能与电能的转化
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第一课时 原电池的工作原理 化学电源
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1.通过实验探究化学反应中的能量转化。 2.了解原电池的构造特点和工作原理,会判断、设计简单的原电 池,能够正确书写电极反应式和电池反应方程式。 3.了解盐桥的作用。 4.知道常见化学电源的种类,银锌纽扣电池、铅蓄电池、燃料电 池的工作原理及其应用价值。
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质是碱,其正极反应为 O2+2H2O+4e-
为
。
4OH-,则其负极反应
点拨:可利用减法进行电极反应式的书写。
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解析:在酸性溶液中,正极反应式等于总反应式减去负极反应式,也
可进行电极反应式的直接书写。正极的主反应物为 O2,得电子后生成 O2-,由于 O2-在酸性溶液中会与 H+发生反应,所以正极反应式为
B.在使用过程中,电子由Ag2O极经外电路流向Zn极 C.Zn是正极,Ag2O是负极 D.Zn电极发生还原反应,Ag2O电极发生氧化反应 解析:从电极反应式可以看出,Zn电极失电子,作负极,是电子流出的电极,发生氧
化反应;Ag2O电极得电子,作正极,是电子流入的电极,发生还原反应。 答案:A
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(3)原电池的工作原理(以铜锌原电池为例进行研究):
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Zn 为负极,Cu 为正极;负极上发生氧化反应,电极反应式为 Zn-2e-
Zn2+,正极上发生还原反应,电极反应式为 Cu2++2e- Cu;电子流 出的极是负极,电子流入的极是正极;电流方向是从正极流向负极。盐桥 中通常装有含 KCl 饱和溶液的琼脂,盐桥中的 Cl-会移向 ZnSO4 溶液,K+ 移向 CuSO4 溶液,使 ZnSO4 溶液和 CuSO4 溶液均保持电中性。该原电 池工作一段时间后,负极质量减小,正极质量增加。
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(3)铅蓄电池是最常见的二次电池。它由两组平行排列的栅状铅合 金极板作为主架,正极板上覆盖有 PbO2,负极板上覆盖有 Pb,电解质是
H2SO4。放电时电极反应为:负极:Pb+SO42--2e- PbSO4,正 极:PbO2+4H++SO42-+2e- PbSO4+2H2O,放电时总反应 式:Pb+PbO2+4H++2SO42- 2PbSO4+2H2O。铅蓄电池充电时电极反应 为:阴极:PbSO4+2e- Pb+SO42-(还原反应),阳极:PbSO4+2H2O-2ePbO2+4H++SO42-(氧化反应),充电时总反应式:2PbSO4+2H2O Pb+PbO2+4H++SO42-。可见充电过程和放电过程互为逆过程,可用一个化
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2.将纯锌片和纯铜片按图示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间,以下叙述正确 的是( ) A.两烧杯中铜片表面均无气泡产生 B.甲中铜片是正极,乙中铜片是负极 C.两烧杯中硫酸均有消耗 D.产生气泡的速率甲比乙慢 解析:因乙烧杯中锌片和铜片没有接触,故不能构成原电池,而甲烧杯中Zn、Cu用 导线连接后构成原电池,加快了Zn的溶解,且铜为正极,其表面有气泡产生,故A、B、 D项均错;又因两烧杯中的Zn都能与稀硫酸反应产生H2而消耗H+,故C项正确。 答案:C
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1.下列装置中能构成原电池产生电流的是( )
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解析:A、C两项中两电极均相同,不能构成原电池;B项符合原电池的构成条件,两
电极发生的反应分别是Zn-2e解质,故不能构成原电池。
Zn2+,2H++2e-
H2↑;D项中酒精不是电
答案:B
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学方程式表示为:Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O。随着放电反应的 进行,硫酸的浓度不断下降,密度不断减小,人们常常根据硫酸密度的大 小来判断铅蓄电池是否需要充电。
目标导航 预习氢氧燃料电池正极通入氧气,负极通入氢气。其电极反应为负 极:2H2+4OH--4e- 4H2O,正极:O2+2H2O+4e- 4OH-,总反应:2H2+O2
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预习交流3 盐桥的作用是什么? 提示:保持溶液的电中性,从而保证电流的稳定。 预习交流4 选择盐桥电解质的原则是什么? 提示:(1)高浓度;(2)阴、阳离子迁移速率接近相等;(3)不与电池中溶液发生化学 反应。
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一、原电池的构成
活动与探究 1.原电池的形成条件是什么? 答案:(1)两个活动性不同的电极;(2)两电极用导线连接;(3)两电极均与电解质溶 液相接触并形成闭合回路;(4)存在自发进行的氧化还原反应。
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2.如何判断原电池的正、负极? 答案:(1)由组成原电池的两电极材料判断。一般是活动性较强的金属为负极, 活动性较弱的金属或能导电的非金属为正极。 (2)根据电流方向或电子流动方向判断。电流是由正极经导线流向负极,电子流 动方向是由负极经导线流向正极。 (3)根据原电池里电解质溶液内离子的定向移动方向判断。在原电池的电解质 溶液内,阳离子移向的极是正极,阴离子移向的极是负极。
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温馨提示:“两个电极用导线连接”这句话应灵活理解,导线连接的目的是便于电 子的流动,如果两个电极直接接触,虽然中间没有导线,也能达到电子定向移动的目 的,所以也相当于用导线连接。
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迁移训练1
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瑞典ASES公司设计的曾用于驱动潜艇的液氨-液氧燃料电池示意图如图所示,
正极。电池工作时,电子从电极 1 经外电路流向电极 2,OH-向负极移动。
负极反应为:4NH3-12e-+12OH- 2N2+12H2O,正极反应
为:3O2+12e-+6H2O 答案:A
12OH-。
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1.活动性强的金属不一定作负极,判断原电池的正、负极,关键是看哪个电极的 金属能与电解质溶液发生氧化还原反应。若两电极材料都能与电解质溶液发生 氧化还原反应,则相对活泼的电极为负极;若只有一个电极材料能与电解质发生氧 化还原反应,则该电极作负极。
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迁移训练 2 微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用。有一种银锌 电池,其电极材料分别是 Ag2O 和 Zn,电解质溶液为 KOH 溶液,电极反应 为 Zn+2OH--2e- ZnO+H2O;Ag2O+H2O+2e- 2Ag+2OH-。
根据上述反应式,判断下列叙述中正确的是( )
A.在使用过程中,电池负极区溶液的pH减小
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迁移与应用 例1下列各图表示的装置,能构成原电池的是( )
点拨:原电池的形成需要满足4个要素:两个活动性不同的电极,用导线连接,且与 电解质溶液接触并形成闭合回路,存在自发进行的氧化还原反应,四个要素缺一不 可,这也是检验原电池是否能形成的方法。
解析:A中两电极相同;B中无电解质溶液;C未形成闭合电路。 答案:D
有关说法正确的是( )
A.电池总反应为:4NH3+3O2 2N2+6H2O B.电池工作时,OH-向正极移动
C.电极 2 发生的电极反应为:O2+4H++4eD.电流由电极 1 经外电路流向电极 2
2H2O
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解析:燃料电池中通入 O2 的一极为正极,则电极 1 为负极,电极 2 为
O2+4e-+4H+ 2H2O。同理,在碱性溶液中,负极反应式为 2H2-4e-+4OH-
4H2O。
答案:O2+4e-+4H+ 2H2O 2H2-4e-+4OH- 4H2O
误区警示:在书写电极反应式时,我们易错误地写成 O2+4e忽视了 O2-在水溶液中不能稳定存在。
2O2-,
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5.能根据已知的电池反应式,判断电池的正、负极,书写电极反应 式。
1.掌握原电池的构造特点及工作原理。 2.能根据常见的氧化还原反应设计原电池,书写电极反应式和电 池反应方程式。
3.能根据电池反应式,判断电池的正、负极并书写电极反应式。
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1.原电池的工作原理 (1)化学能与电能的相互转化,是能量转化的重要形式之一。原电池是将化学能 转化为电能的装置。 (2)原电池由两个半电池组成。半电池包括电极材料和电解质溶液,两个隔离的 半电池通过盐桥连接起来。半电池中的反应就是半反应,即电极反应。在原电池 中,负极上发生氧化反应,给出电子;正极上发生还原反应,得到电子。电流由原电 池的正极流向负极,即电子由负极流向正极。
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迁移与应用
例 2 航天技术上使用的氢氧燃料电池具有高能、轻便和不污染环
境等优点。氢氧燃料电池有酸式和碱式两种,它们放电时的电池总反应
的化学方程式均可表示为 2H2+O2 2H2O。酸式氢氧燃料电池中的电
解质是酸,其负极反应为 2H2-4e为
4H+,则其正极反应 ;碱式氢氧燃料电池中的电解